维普资讯 http://www.cqvip.com
２００７年第４期 水电厂发电机变压器保护设计应考虑的问题 陈 琼 （福建水口发电有限公司，福建闽清３５０８００） 摘要：该文根据继电保护“反措”规定和保护现场改造运行经验，介绍水电厂发电机、变压器 保护在双重化设计应注意的问题，阐述一点在发电机内部、另一点在主变内部的接地故障、发 电机电气制动、自并励发电机后备保护、主变零序电压保护电压量取自何处、长电缆跳闸出口 回路等在保护设计方面应采取的措施，可供参考。 关键词：发电机；变压器；双重化设计 中图分类号：ＴＭ３１２：ＴＭ４０２ 前言 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００２—３０１１（２００７）０４—００７０—０３ 由很多个装置组成的一套保护。主后一体化单套保护装置采 发电机、变压器容量的不断增大对继电保护设计提出了 更高要求。数字技术和通信技术的应用促进了继电保护技术 的发展。目前，机组、变压器保护基本上采用微机型保护装 置，为发电机、变压器保护更加优化设计提供保证。本文以 水口水电厂机组、主变保护微机化改造为例，阐述发电机变 压器保护设计应考虑的问题。 １保护双重化设计 国调中心下发的调继（２００２）４５号文“＜防止电力生产 用双ＣＰＵ结构，两个ＣＰＵ系统相互闭锁出口，避免硬件故 障导致的误动。在考虑组屏方案时，对于发变组保护（中间 无断路器），Ａ屏、Ｂ屏为两套发变组电量保护，Ｃ屏为非电 量保护；对于发电机与变压器之间装设有断路器的。发电机 装设Ａ屏、Ｂ屏，为两套电量保护。变压器装设Ａ屏、Ｂ 屏，为两套电量保护，Ｃ屏为非电量保护。 变压器宜采用两套不同原理的主保护。如二次谐波、问 断角、波形对称（非电量保护除外）等。当发电机出口断路 器断开时，电厂升压变压器当作降压变压变使用，供厂用负 荷。这时变压器低压侧发生故障时短路电流很大，威胁变压 器线圈的动热稳定。线路对侧距离保护对该点故障灵敏度不 够或动作时间太长（大于２ｓ），不满足（闽电发［２００２］９８ 重大事故的二十五项重点要求＞继电保护实施细则”对发电 机变压器组保护提出了双重化配置的要求：１００ＭＷ及以上 容量的发电机变压器组微机保护应按双重化配置（非电气量 除外）保护。继电保护双重化配置是指配置两套、完整 的保护装置及回路，防止因保护装置拒动而导致系统事故的 有效措施，同时又可大大减少由于保护装置异常、检修等原 因造成的一次设备停运现象。 １．１装置双重化 号）“福建省电力有限公司提高主变压器安全运行补充措施＞ 的通知”文件要求。因此，在考虑配置时应增加主变过电流 保护，该保护受发电机出口断路器控制自动投退，在发电机 出口断路器在分闸位置时投入运行。 受测量回路本身内阻的影响，运行时发电机转子接地保 护只能投入一套运行，不能两套同时投入，但保护配置要按 双重化配置。其中一套正常运行时投入，另一套退出。当运 传统设计保护配置时，发电机、变压器差动保护装设两 套保护装置。发电机内部故障，如定子接地、转子接地、匝 间故障，异常运行故障，如定子过负荷、转子过负荷、失 磁、过电压、主变过负荷等，只配置一套保护配置。而机组 大部分故障均为异常运行故障。后备保护也只装设一套保护 配置。安全性不能满足反措要求，需要双重化配置。即采用 行的一套转子接地保护退出时，可以投入另一套转子接地保 护，不影响机组的安全运行。 根据＜大型发电机变压器继电保护整定计算导则） （ＤＬ／Ｔ６８４￣１９９９）要求，在设计发电机定子接地保护动作 后果时，２００兆瓦及以上容量机组投入跳闸，必须将基波段 两套微机式保护，每套保护具有主保护与后备保护的全部功 能。每套保护均应含完整的差动及后备、异常保护，能反应 被保护设备的各种故障及异常状态，并能动作于跳闸或发信 号。 保护和三次谐波段保护出口分开，基波段投入跳闸，三次营 波段保护宜投信号。 １．２回路双重化 主后一体化双主双后保护配置方案回路简单，装置数量 减少，降低了运行管理难度，提高了运行安全可靠性，优于 １．２．１交流回路 目前，发电机、变压器两套保护装置的交流相电压、交 收稿日期：２００７—０１—０５ ７０ 流相电流可以分别取自电压互感器和电流互感器互相的 维普资讯 http://www.cqvip.com
绕组。其保护范围应交叉重叠，避免死区。 对于保护装置取用的零序电压和零序电流，如主变零序 电流保护。一般主变中性点套管互感器只有一个二次绕组。 为确保主变零序电流保护交流回路双重化，一套保护电流取 自主变中性点套管互感器，另一套保护电流用主变高压侧三 相电流之和（经微机保护内部软件处理）。发电机匝间保护 需用专用ＴＶ的开口三角零序电压来实现，由于专用ＴＶ只 有一组．为保证回路上，采用不同原理的保护，一套发 电机匝间保护采用专用Ｔｖ，另一套发电机匝问保护采用故 障分量负序功率方向匝问保护，不需专用ＴＶ。由基波零序 电压和三次谐波电压原理组成的发电机定子接地保护采用机 端开口三角零序电压、中性点零序电压，一般机端均配置两 组电压互感器，有两个开口三角零序电压，但中性点电压互 感器（消弧线圈）只设一组。在实际工程中．两套定子接地 保护中性点侧零序电压只能共用，此时，应在保护原理上采 取措施，能够在机组中性点电压互感器（消弧线圈）断线时 及时发现，发出信号。 １．２．２直流回路 直流回路设计保护应考虑以下要求：两套保护装置的直 流电源应取自不同蓄电池组供电的直流母线段；两套保护装 置的跳闸回路应分别作用于断路器的两个跳闸线圈。 变压器组非电量保护应设置的电源回路（包括直流 空气小开关及其直流电源监视回路），出口跳闸回路应与电 气量保护完全，非电气量保护不启动失灵回路。两套完 整的电气量保护和非电量保护的跳闸回路应同时作用于断路 器的两个跳闸线圈。 ２一点在发电机内部、另一点在主变内部的接地故障处理 如在发电机差动保护范围内发生Ａ相接地。在主变差动 保护范围内发生Ｂ相接地故障，构成ＡＢ相间接地故障，短 路电流大，发电机Ａ相差动动作，但Ｂ相差动判断为区外故 障不动。由于发电机差动保护采用循环闭锁式（两相动作出 口）保护拒动，发变组单元（两者之间无断路器）接线可用 装设发变组差动保护反应该类型故障。发电机与主变之间装 设有断路器的单元接线，由于不考虑装设发变组差动保护， 为确保切除故障，设计时可以在发电机差动保护的基础上增 加图１逻辑回路。引入机端电压量，增设负序电压元件，纵 差保护任一相动作加上负序电压元件动作时，差动保护出口 跳闸。 ３电气制动应考虑闭锁的保护 出口 图１发电机差动元件与负序元件构成的出口逻辑图 ２００７年第４期 机组正常停机时。逆变灭磁后．当转速下降到５０％ｎｅ （额定转速）时，机组出口三相短路开关自动合上，转子绕 组重新加入恒定励磁电流，利用定子绕组中的三相短路电流 产生的铜耗作为制动力矩，加快停机过程。当转速下降到 ８％ｎｅ时，机械制动自动投入，电气制动延迟退出。 在电气制动过程中，定子电流和定子电压均为低频电气 量，对发电机差动保护来说是差流。因此，装设有电气制动 的发电机在设计时应考虑定子低频电流电压对保护的影响， 应闭锁的保护有纵差、复合电压过电流、３Ｕ 定予接地、负 序电流、芷序过负荷、过电压保护等电压电流型保护装置。 ４ 自并励发电机后备保护 在自并励发电机的机端及其邻近区域内发生短路故障 时，机端电压下降，引起励磁电压下降，进而导致短路电流 衰减。因此。自并励发电机的继电保护装置必须考虑短路电 流的衰减所产生的影响，防止后备保护装置拒动。可采用的 保护有低电压自保持的过电流保护、电压控制的过电流保 护、精工电流足够小的阻抗保护。目前设计基本采用低电压 自保持的复合电压过电流保护装置，由低电压元件、负序电 压元件、电流元件、保持回路、时间元件组成。该保护既是 发电机相问故障的后备保护，也是主变高压侧相问故障的后 备保护。装置利用低电压元件“记忆”短路瞬间的电流值， 短路电流衰减，电流元件返回，因低电压元件一直动作，通 过保持回路，不会使保护装置中途返回。保持回路的保持时 问可按大于保护动作时间整定。 发电机电压回路装设断路器的单元接线在发电机内部发 生故障被纵差保护动作切除后低电压自保持的复合电压过电 流保护装置误动跳主变，扩大停电范围，设计时应考虑引入 发电机出口断路器的常开接点，在出口断路器跳开位置时， 复合电压过电流保护不出口。 ５主变零序电压保护电压量取自何处 传统设计时，主变零序电压保护电压量均取自母线ＰＴ， 接线原理见图２。 Ａ Ｂ Ｃ 电器 图２主变零序电压继电器电压回路 受地理条件，水电厂主变继保室与母线ＰＴ装设位 置较远。如水口水电厂，两者间距离长达１１００ｍ。现场试验 表明，当母线ＰＴ二次回路Ｎ６００线断开时，主变零序电压 继电器电压线圈两端动作电压高达１８３Ｖ，正好大于主变零 ７１ 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００７年第４期 序电压保护１８０Ｖ动作整定值，主变零序电压保护动作。按 系统运行方式的要求，正常情况下，水口电厂７台２２０ｋＶ主 变中，只有１台主变中性点接地运行，其余６台主变中性不 接地运行。这６台主变零序电压保护均在投入运行。如发生 上述问题，势必造成６台主变同时跳闸，严重影响电网的安 全稳定运行。 正常情况下，ＰＴ一、二次绕组两端接地，耦合电容Ｃ。 不起作用，零序电压继电器所测到的零序电压３Ｕｏ为０Ｖ。 当电压互感器二次Ｎ６００芯线断开时，一次电压将在电压互 感器一、二次线圈耦合电容Ｃｌ、电压互感器二次电缆对地 电容Ｃ２和主变零序电压继电器电感线圈Ｌ之间进行分压， 将高压电压引入二次回路。由于二次电缆长，对地电容大， 其值足以让零序电压继电器动作。如图３所示。最好的办法 是在各主变单元高压加装电压互感器，解决主变零序电压回 路异常造成大面积事故跳闸重大隐患。 ２２０ｋＶ Ｃ，：电压互感器一、二次线圈耦合电容 Ｃ２：二次电缆对地电容 Ｌ：主变零序电压继电器电感线圈 图３主变零序电压继电器产生电压分析图 水口水电厂改造设计时。在升压站１＃主变单元、２＃、 ３＃主变单元、４＃、５＃主变单元、６＃、７＃主变单元出线各装 设三相电压互感器，从根本上消除１＃一７ 主变零序电压保 护的零序电压只能取自２２０ｋｖ母线电压互感器的重大设计 隐患。其二次电缆至主变保护屏的最长长度仅２００多米，大 大缩短了二次电缆，从根本上解决了长电缆、大电容的问 题。加装ＰＴ后，主接线方式较以前灵活，若ＰＴ本身发生 故障，仅影响本单元机组，不会影响其它机变运行。 ６长电缆跳闸出口回路设计 水电厂主变非电量保护与主变保护屏之间、主变保护屏 与保护动作需跳闸的断路器之间存在长电缆跳闸回路，干扰 主要来自直流接地和交流电源窜入直流回路。 国家电网调度中心“＜防止电力生产重大事故的二十五 项重点要求＞继电保护实施细则”规定：对经长电缆（大于 ５００ｍ）跳闸的回路，要采取措施防止长电缆分布电容影响 和干扰出口继电器。 直流接地对跳闸回路造成的干扰可采用分电缆布置、适 当提高出口继电器动作电压和动作功率来抑制。 防止交流电源窜入直流回路引起出口中间继电器误动可 采用以下办法： （１）在出口中间继电器两端并联ＲＣ阻容回路。现场用 ７２ ＤＺ一６型中间继电器做试验，试验接线见图４。试验表明． 将ＤＺ一６继电器两端并联的续流二极管改用适当的ＲＣ串联 阻容回路之前，在直流正极或负极对地间加１５０Ｖ交流电 压，继电器动作。改用Ｒ为４７０ｆｌ、电容Ｃ为０．９４ｕｆ的阻容 回路后，在直流正极或负极对地间加２３０Ｖ交流电压。继电器 也不动作，大大提高出口继电器抗直流回路窜入交流电源的 干扰能力。采用ＲＣ阻容回路，ＤＺ一６继电器的动作电压、继 电器动作时间不受影响，返回时间增大几毫秒（＜１０ｍｓ）。 ＤＣ２２ＣｌＶ＋ ＤＣ２２０ｖ— Ｃ。：长电缆对地电容 ＢＣＪ：保护出口接点 Ｒ：并联电阻 Ｃ：并联电容 图４ ＤＺ一６继电器直流回路窜交流电源试验 （２）通过光纤跳闸通道传送跳闸信号。随着光纤通信技 术的发展，设计时用光缆传送保护出口跳闸信号，只要在主 变继保室和开关继保室装设光纤接口装鬣，按双重化设计， 可以彻底解决直流回路干扰问题。水口电厂采用国电南瑞的 ＦＯＸ一４０装鬣传送主变保护跳２２０ｋＶ断路器和断路器失灵 启动主变跳闸信号，解决二次长电缆对地电容大、抗干扰能 力差的问题。自２００１年投运以来，运行正常。 ７结语 发电机、变压器是水电厂的重要元件，其保护装鬣能否 正确动作直接影响电网安全运行。运行经验表明，发电机、 变压器保护完善化设计将确保保护装鬣正确动作。 作者简介：陈琼（１９７１一），男，福建长乐人，工程师， 从事继电保护工作。 （上接第６７页）符合现代职业教育的根本要求。在良好掌握 阶段式电流保护的前提下，为＜继电保护＞这门课程的学习 打下坚实的基础。 参考文献 ［１］教育部人事司．高等教育学［Ｍ］．北京：高等教育 出版社。２００２． ［２］高汝武，毛幸远．继电保护调试技术［Ｍ］．＝ｊＥ京： 中国水利水电出版社，２００５． ［３］贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理［Ｍ］．＝ｊＥ 京：中国电力出版社，２００４． 作者简介：毛幸远（１９７５一），女，福建屏南人，讲师， 工程硕士。从事继电保护教学与研究工作。
